Risk assessment of single gully debris flows based on dynamic changes of provenance in the Wenchuan earthquake zone: A case study of Qipan gully
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摘要:
“5•12”汶川特大地震后，震区山体表面产生大量碎屑物，植被遭到严重破坏，为泥石流暴发提供了极为丰富的物质来源，大大增加了泥石流的危险性。多年来，研究人员针对震后泥石流危险性的评估主要考虑植被恢复情况，较少考虑泥石流沟道存在大量的动储量物质对危险性评估的重要影响。为此，基于现场勘察资料，以汶川县七盘沟为研究对象，采用多源多尺度监测手段（Landsat系列、Quick-bird与无人机）对震前震后坡面物源与沟道物源进行分析统计，综合利用博弈论组合赋权结合云模型构建泥石流危险性动态评价模型，对2005—2019年泥石流暴发的危险性进行评价。结果表明：震后坡面物源是震前的7.7倍，到2019年坡面物源已基本恢复至震前水平。经相关资料记载震后泥石流暴发冲出量及清淤工程量进行统计估算可知，到2019年泥石流动态物源减少约7.813×106 m3。相对比只考虑坡面物源，分别考虑坡面和沟道物源对危险性评价所取得的结果，更切合现实。所得结果对在日益增加的高烈度山区开展重要工程所遭受的单沟泥石流危险性动态评价提供参考与借鉴作用，有效保护人民的生命和财产安全。
Abstract:Following the catastrophic “5•12” Wenchuan earthquake, extensive debris was deposited on mountain surfaces in the earthquake zone, and significant vegetation damage occurred, providing abundant material for debris flow outbreaks and substantially increasing their risk. Previous studies primarily focused on vegetation recovery when assessing post-earthquake debris flow risks. However, field surveys revealed that large quantities of dynamic storage materials in the gullies significantly impact risk assessments. Based on field survey data, this study uses Qipan gully in Wenchuan County as a research subject and employs multi-source and multi-scale monitoring tools (Landsat series, Quick-bird, and UAVs) to analyze and statistically assess the source materials on slopes and gullies both pre- and post-earthquake. A dynamic risk assessment model for debris flow is constructed using game theory combined with a cloud model, assessing the risk from 2005 to 2019. Findings indicate that post-earthquake slope material sources were 7.7 times those pre-earthquake, and by 2019, with recovery to pre-earthquake levels by 2019. Statistical estimations based on recorded debris flow eruptions and sediment removal volumes show a reduction of approximately 7.813×106 m3 in dynamic material sources by 2019. Assessing both slope and gully material sources yields more realistic results than considering slope sources alone. These results provide references and guidance for dynamic risk assessments of debris flow, impacting major engineering projects in increasingly seismic regions and effectively ensuring the safety of life and property.
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Keywords:
- Wenchuan earthquake /
- debris flow /
- provenance changes /
- combined weighting method /
- cloud model /
- risk assessment
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0. 引言
大量研究表明，滑坡体内地下水赋存与运移是引起滑坡体失稳破坏的主要因素之一[1 − 4]。目前滑坡治理措施中，截排水技术分地表截排水和地下疏排水两大类。地表截排水工程主要为截水沟、排水沟等。地下疏排水结构主要有盲沟、钻孔排水、截水隧洞、集水井、虹吸排水等[5 − 7]。
目前，研究滑坡地下水疏排对滑坡稳定性的研究大多集中于截排水隧道、虹吸排水、仰斜孔排水等。孙红月等[8]研究了地下排水洞在浙江上三公路6#滑坡中的作用与控制，研究表明地下排水洞能有效控制地下水位的上升，特别是有效防止前期降水在坡体中的积累。赵杰[9]通过研究截水隧道在箭丰尾滑坡中应用，阐述了排水隧洞的设计理念，通过现场的监测资料对比分析修建截水隧洞前后降水量与地下水位埋深的关系，客观评价了截水隧洞的工程效果。近年来，一些研究者[10 − 13]在虹吸排水在滑坡地下水排出中的研究做了大量有意义的探索。
井-孔联合排水是指当地下水埋深较大或有多层地下水需要排出时，使用仰斜排水孔效果不佳时，采用仰斜孔结合集水井联合排出滑坡地下水的一种技术。目前国内采用此技术在滑坡治理中的应用鲜见报道。本文依托攀枝花机场13#滑坡治理工程，探讨井-孔联合排水技术在高含水填方滑坡治理中的应用，值得同类工程借鉴。
1. 滑坡概况
1.1 工程地质环境条件
研究区为中山丘陵、山区峡谷地貌， 见图1。受区域地质构造及机场建设等因素影响，地形起伏变化较大，高差悬殊大。机场建设前整体为一走向N—S向条形山脊。机场建设后东侧填筑形成高填方区，高达八级，最大高度 66 m[14]。
钻探揭露研究区地层自上至下为第四系人工填土层（
${\mathrm{Qh}}^{ml} $ ），母岩以强风化砂岩、炭质泥岩角砾、碎石为主，黏土充填，最大厚度达33 m。第四系全新统残坡积层（${\mathrm{Qh}}^{el+dl} $ ），主要为角砾土、碎石土，黄褐—灰褐色，黏土充填，含水量较高，呈可塑—坚硬状，层厚度变化较大，最大可达12 m。下伏侏罗系下统益门组（J1y）炭质泥岩、砂岩，缓倾互层状产出，岩层倾向与坡体倾向相近，倾角18°～21°。典型工程地质断面图见图2。研究区内存在一鱼塘向斜，向斜轴走向NNW，向SSE倾伏，其轴部通过跑道中心点附近，滑坡所在区在该向斜东北翼，地层产状106°～112°∠18°～21°，见图3。岩层中发育有两组张节理，J1节理：65°～87°∠85°～87°，间距3～5 m，闭合—微张开；J2节理：264°～280°∠82°～86°，间距5～15 m，闭合—微张，两组节理均黏土或硅质充填。
1.2 滑坡基本特征
该滑坡平面形态呈 “簸箕”状，见图4。且前缘不对称。滑坡纵向长约162 m，横向宽约246 m，后缘至剪出口高差最大68 m，钻孔揭露滑体最大厚度32.3 m，滑体总体积约50.42×104 m3，为一大型填筑体滑坡。
该滑坡周界清晰，后缘位于土面区张拉下错裂缝处，裂缝走向NE24°—NE33°，与巡场路（坡口线）走向基本一致。左侧界依附于巡场路至一级马道处剪切裂缝，走向SW21°—SE33°滑坡右侧以巡场路张开裂缝北端至五级马道截水沟沟壁外倾变形段为界。滑坡剪出口在坡体南侧沿坡脚便道、截水沟沟底展布，至五级马道截水沟倾倒损毁处沿该平台向北延伸。
该滑坡发育有一层滑带（面），主滑段滑动带（面）依附于全风化残、坡积层。滑带土以残坡积层中灰白色黏土夹层为主，含水量高，呈软塑状，泥膜呈灰白色，滑面泥膜处可见明显粗粒土擦痕，见图5。揉皱严重，倾角随滑面位置的不同而略有变化，主滑段滑面倾角12°～17°滑面埋深最大达32.3 m，横向呈中间深、两侧浅，在南、北两侧受老地面控制。
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图 5 钻孔（a）、桩坑（b）中揭露滑面Figure 5. Exposed sliding surfaces in boreholes (a) and pile pits (b)1.3 水文地质条件
1.3.1 大气降雨时空分布特征
根据机场气象台2007年至2019年年平均降水量图（图6）可知，研究区年平均降水量为792 mm，年最大降水量发生于2017年，为
1025.2 mm。年最小降水量发生于2012年，为496 mm。年平均降水天数97 d。由图7可知，研究区雨季为5—10月，平均降水量为737.16 mm，占全年降水量的95%。前汛期（5—7月）多年平均降水量为385.13 mm，占雨季降水量的52%。后汛期（8—10月）多年平均降水量为352.03 mm，占雨季降水量的48%。旱季6个月，年平均降水量仅为54.84 mm，仅占全年降水量的5%。以上数据充分说明滑坡区雨季降雨集中，降雨强度大。![]()
图 6 2007—2019年年降水量分布图Figure 6. Distribution map of annual average rainfall from 2007 to 2019![]()
图 7 2007—2019年月平均降水量分布图Figure 7. Distribution map of monthly average rainfall from 2007 to 20191.3.2 持续降雨、暴雨分布特征
大量研究表明[15 − 17]，大量滑坡发生于中雨—暴雨、持续降雨之后。攀枝花机场每年均出现大量中—暴雨及持续降雨，对机场降雨数据的详细统计分析后，得到了2010—2019年每年中雨及以上出现次数及每年连续3 d出现降雨次数，具体见图8。由图8分析可知，按日均降水量标准计算，中雨（10～25 mm）、大雨（25～50 mm）及暴雨（≥50 mm）出现次数，年平均为24.5次，每年平均连续3 d及以上出现降雨天数为14次。中—大暴雨、3 d及以上出现降雨天数出现次数集中于雨季7—9月，占总数的95%以上。充分说明滑坡区降雨具有雨季降水量强度大且集中的特点。
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图 8 2010—2019年中雨及以上次数、连续3 d降雨次数分布图Figure 8. Distribution map of the frequency of moderate rain or more for consecutive 3-days rainfall events from 2010 to 20191.3.3 地下水类型及赋存
研究区内存在两种类型的地下水，分别为赋存于松散堆积层的孔隙水和基岩中的裂隙水。根据物探及钻孔揭示，区内松散堆积层孔隙水包含上层滞水及孔隙潜水。松散堆积层孔隙水主要赋存于人工填筑土及第四系残坡积层、滑坡堆积层中，其分布受填料类型及填料密实度的影响，以上层滞水的类型赋存，上层滞水位于地下水位线以上填土中，由于填料及压实度差异导致该层水分布不均，无统一水面，且各水体间地下水连通性较差。
物探成果（图9）表明，二级马道以上至场坪土面区地段电阻率明显偏低，说明该处为滑坡体主要富水区域，具有“窝”状不连续分布特征，具有明显的成层性。通过钻孔中含水层段岩芯分析表明，含水层具有黏土含量高、赋水性较好、孔隙连通性差、径流不畅，坡内水难以快速消散等特点。孔隙潜水分布于基岩顶面原始地层中。现场调查，填筑体4级、5级马道平台截水沟及坡脚挡墙损坏段可见地下水渗出，见图10。坡脚鱼池处可见基岩与覆盖层界限处亦有地下水渗出。主要受上游降雨入渗、浅层基岩裂隙水沿层面运移及上层滞水沿隔水底板边缘下渗补给，沿基岩顶面向下游径流至鱼塘排泄。
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图 10 坡脚、平台水沟地下水出露Figure 10. The underground water emergence from slope foot, platform ditch2. 治理方案
2.1 治理难点与关键
（1）滑坡的变形具有启动突然，启动后变形加速发展的特点，是一高风险滑坡，治理工程属应急抢险工程。
该滑坡自发现地表宏观变形迹象，立即采取地表变形监测。典型位移/沉降—时间曲线见图11。由图11分析表明，坡体处于等速变形阶段，且变形发展迅速。因此，该滑坡的勘察设计及施工不能按常规的一般滑坡进行，应按应急抢险治理工程对待，对勘察设计及施工提出了挑战。
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图 11 一级马道监测点累计位移/沉降-时间曲线Figure 11. Cumulative displacement/settlement - time curve of level 1 monitoring point（2）滑坡具有有利于地表水下渗但不易排出的结构特征。
该滑坡发育在斜坡上填筑的超高（最高达68 m）填筑体边坡上。填筑体下伏基岩为缓倾顺层侏罗系炭质泥岩、砂岩。研究区地层结构示意见图12。由图12分析可知，受特殊的上软下硬单斜顺倾坡体结构影响，使地下水向同一个方向的汇集具有了沿层面渗流的条件，基岩中发育的两组张性节理，形成了基岩中的裂隙水渗流通道，使得基岩裂隙水从机场西侧甚至机场山梁西侧直接进入滑体有了地下通道。机场填筑边坡时，由于底部及填筑体内设置的排水措施偏少，地下水不能及时排除。
（3）降水量大、降雨集中，坡体地下水丰富，如何疏排地下水是滑坡治理成败关键。
由前述水文地质条件分析可知，滑坡区降雨充沛，且主要集中在5—10月，雨季降水量平均占年降水量的95%左右，降雨具有“集中”“量大”“暴雨多”等特点。坡体地下水位高。该段填筑体高边坡在13年后产生滑坡，突出原因是滑坡地下水丰富且排水不畅，并且地下水位逐年增高，导致滑体自重的增加，滑带土长期浸泡后，强度衰减，产生了滑动变形。因此，如何设置地下排水措施是该滑坡治理成功的关键。
2.2 治理理念
由于该滑坡地下水丰富且难以排出，地下水的来源主要有两个方面，一是滑坡区及后侧宽阔机场场坪汇集的降水。除少部分经地表排水系统排走，大部分降水下渗至坡体内，再向水位较低的临空方向渗流。而研究区钻探揭露滑体填土层具有的黏土含量高、赋水性较好、孔隙连通性差、径流不畅的性质，导致由场坪下渗的地下水在坡体内难以得到及时的消散。二是研究区地层为一典型的砂泥岩互层单斜地层结构，滑坡西侧机场以外的部分地下水沿砂岩层面、裂隙及泥岩顶面向填方区坡体渗流，地层中有张开的节理裂隙较发育，为地下水的补给提供了途径，是该段地层中的地下水通道，顺层面、节理裂隙方向从西向东流动，向滑坡体不断补给。因此考虑在滑体内设置排水工程措施。工程设计应充分考虑如何疏排地下水，应采取支挡与疏排地下水并重的治理理念。
2.3 治理方案
基于该滑坡的特点与难点，治理工程采用应急工程与永久工程相结合、支挡与疏排地下水相结合的方式进行。
应急治理主要为滑坡后缘减载和疏排滑坡地下水，具体采用仰斜排水孔排水。
永久工程治理方案采用支挡工程与排水工程相结合的方式进行。支挡结构根据滑坡推力大小，采用普通抗滑桩、预应力锚索抗滑桩强支挡。地下排水结构措施采用集水井联合井内仰斜排水孔疏排地下水。具体工程平面布置图见图13，工程断面布置图见图14。
具体集水井设置在一级马道围栏外坡面，设置6个集水井，直径4m，采用C30钢筋砼浇筑。为加大集水井疏排地下水的范围及能力，在井壁设置1～4排放射状集水斜孔以疏排滑体中的地下水，将地下水引至集水井内，然后通过井间导流管将水引至下一个集水井，最终将坡体中地下水排至滑坡体以外。具体集水井设置见图15。
3. 排水工程效果分析
该滑坡应急治理及永久治理工程实施后，对其稳定性进行了综合评估与长期位移监测，综合评估结果见表1，长期位移监测见图16。由表1可知，该滑坡体采用支挡与排水并重的方式治理后，坡体处于稳定状态。排水工程的实施，使得坡体中地下水及时疏排与水位降低且雨季不再 ，保证了岩土体抗剪强度不衰减，有利于坡体的长期稳定。由图16可知，治理工程实施后，坡体位移无增大趋势，水平位移及沉降曲线均呈水平状，坡体处于稳定状态。
表 1 治理前后稳定性评估结果Table 1. Stability assessment results before and after treatment序号 断面
编号治理前稳定系数 应急刷
体积/m3设支挡结构后增加
抗滑力/（kN·m−1）设集水井后地下水
降低高度/m治理后稳定系数 自然工况 暴雨工况 地震工况 自然工况 暴雨工况 地震工况 1 1-1' 1.03 1.00 0.86 23516 1740 5.8 1.35 1.31 1.25 2 2-2' 1.03 1.00 0.85 2730 6.5 1.34 1.33 1.26 3 3-3' 1.02 0.99 0.82 2609 7.2 1.35 1.32 1.26 为评价集水井联合仰斜排水孔排水效果，在两个排水口（图17）进行了出水量监测。图18、19为两个排水口流量-日降水量-时间曲线图。
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图 17 集水井出水口（左：出水口1；右：出水口2）Figure 17. The collection well outlet (left: water outlet 1; right: water outlet 2)图18为出水口1涌水量—降水量—时间曲线。分析表明，排水初期，由于为雨季，降水量较大，涌水量较大，在250～500 mL/s。2017年10月后随着降水量的锐减，涌水量也呈迅速下降趋势，涌水量基本小于50 mL/s。2018年进入雨季后，降水量增多，但出水口1涌水量没有明显的增加，基本稳定在10 mL/s。图19为出水口2涌水量—降水量—时间曲线。分析表明，出水口2涌水量基本随降水量变化而变化。表现为，降水量大，涌水量大，降水量小，涌水量小。但排水口2总体涌水量没有排水口1大。综合比较可以得出，排水初期，坡体内长期蓄存的地下水，基本通过排水 口1在近两个月的时间排出，2018年1月后，两个排水口基本响应了大气降雨，及时排走了坡体内下渗的地下水。
4. 结论
以攀枝花机场13#滑坡治理工程为例，在简述滑坡基本概况的基础上，着重论述了研究区水文地质条件，基于该滑坡治理难点及特性，探讨了滑坡治理方案，提出了基于支挡与疏排地下水并重的治理方案，并评估了井孔联合疏排地下水措施的排水效果，得到了以下几条结论。
（1）研究区雨季降水量占全年降水量的95%，中—大暴雨、3d及以上出现降雨天数出现次数集中于雨季7～9月，占总数的95%以上。充分说明研究区降雨具有雨季降水量强度大且集中的特点。
（2）物探及钻探揭示，滑坡后缘场坪填方区地下水丰富，具有“窝”状不连续分布特征，明显的成层性；含水层具有黏土含量高、赋水性较好、孔隙连通性差、径流不畅，坡内地下水难以快速消散等特点。
（3）采用支挡与疏排滑坡地下水整治理念治理滑坡。采用集水井联合孔内仰斜排水孔疏排地下水，竣工后通过测试其排水量，效果良好，滑坡体长期处于稳定状态。
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图 1 七盘沟泥石流拦挡防治工程分布图
注：1#坝顶长181 m，有效坝高20 m，库容73.9×104 m3；2#坝桩40根，总长323 m，库容4.3×104 m3；3#坝顶长94.8 m，有效坝高10 m；4#坝顶长34.5 m，有效坝高10 m，库容1.4×104 m3；5#坝顶长30.7 m，有效坝高10 m，库容3.4×104 m3；排导槽长
2351 m。Figure 1. Layout map of blocking dams in Qipan gully
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图 2 七盘沟物源减少途径
注：a为2013年大规模泥石流前（2008.9.12）；b为2013年泥石流冲出量；c为植被固源；d为拦挡结构清淤。
Figure 2. Decrease patterns of provenance of debris flow in Qipan gully
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图 3 2005—2019年七盘沟植被覆盖率变化
Figure 3. Changes in vegetation coverage in Qipan gully from 2005 to 2019
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图 4 2005—2019年七盘沟物源遥感解译
Figure 4. Remote sensing interpretation of materials sources in Qipan gully from 2005 to 2019
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图 5 2019年3月18日无人机测试七盘沟情况
注：a为沟道物源；b为沟口建筑物情况；c为3#拦挡坝淤埋情况。
Figure 5. UAV exploration of Qipan gully on March 18, 2019
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图 6 泥石流物源统计分析图
Figure 6. Statistical analysis of vegetation coverage and provenance of debris flow in Qipan gully
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图 7 七盘沟泥石流危险性评价指标体系
Figure 7. Risk assessment indicator system for debris flow in Qipan gully
表 1 七盘沟流域的历史泥石流事件[26]
Table 1 Historical debris-flow events in the Qipan gully watershed, Wenchuan, China
日期 降雨强度/mm 泥石流
类型峰值流量
/（m3·s−1）持续时间
/min泥石流冲出量
/（104 m3）72 h 24 h 1 h 10 min 1933 — — — — 黏性 150 — — 1961-07-06 99.5 79.9 — — 75 60 13.5 1964-07-23 48.3 41.7 — 1.2 稀性 65 50 9.1 1965-07-16 69.5 41.2 — — 65 50 9.9 1970-07-28 56.5 33.0 — — 60 60 5.8 1971-07-24 79.4 53.4 — — 62 45 8.4 1975-07-29 — 32.5 9.6 3.8 81 40 9.8 1977-07-07 — 39.4 7.6 1.6 黏性 65 30 5.8 1978-07-15 79.5 66.7 36.4 17.0 稀性 90 50 13.5 1979-08-15 48.0 30.8 — 6.1 42 30 3.8 1980-07-26 — — — 4.4 65 20 5.4 1981-08-12 — 53.8 9.5 2.1 90 25 6.7 1983-07-19 — 31.3 8.1 1.7 黏性 50 15 2.3 2013-07-11 109.6 54.3 6.4 — 1745 30 78.2 2017-07-05 — 18.6 — — — — 18.5 2018-08-22 — 33.4 — — — — 11.5 2019-08-20 — 28.1 — — — — 15 注：“—” 指数据缺失。 
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表 2 七盘沟泥石流危险性因子评价标准及实际值转换
Table 2 Risk assessment criteria and actual value conversion for debris flow factors in Qipan gully
评价指标 极低危险（Ⅰ） 较低危险（Ⅱ） 中等危险（Ⅲ） 较高危险（Ⅳ） 极高危险（Ⅴ） X1 0～25 25～50 50～100 100～250 250～ 1000 X2 0～10 10～20 20～30 30～40 40～60 X3 0～1 1～5 5～10 10～100 100～700 X4 0～5 5～10 10～20 20～100 100～150 X5 0～25 25～50 50～75 50～100 100～500 X6 0～0.5 0.5～5 5～15 15～35 35～70 X7 0～1 1～2 2～5 5～10 10～50 X8 0～0.2 0.2～0.5 0.5～0.7 0.7～1.0 1.0～6.0 X9 0～2 2～5 5～10 10～20 20～100 X10 80～100 80～60 60～40 20～40 0～20 X11 80～100 80～60 60～40 20～40 0～20 X12 0.8～1 0.6～0.8 0.4～0.6 0.2～0.4 0～0.2 X13 0.8～1 0.6～0.8 0.4～0.6 0.2～0.4 0～0.2 X14 0～20 20～50 50～100 100～200 200～ 3000 注：X12[37]：新修（Ⅰ）；1/3库容（Ⅱ）；2/3库容（Ⅲ）；淤满（Ⅳ）;未修（Ⅴ）。X13[38]：坝基、坝肩、坝体、溢流口未发生损毁， 排水孔不堵塞（Ⅰ）；坝基未被淘蚀， 坝肩、坝体、溢流口有较少部分发生损毁，排水孔不堵塞（Ⅱ）；坝基未被淘蚀， 坝肩、坝体、溢流口有较少部分发生损毁，排水孔堵塞较少（Ⅲ）；坝基被淘蚀，坝体、坝肩发生损毁，排水孔较少部分未堵塞（Ⅳ）；极差 坝基被严重淘蚀，坝肩、坝体破坏严重，排水孔全部堵塞（Ⅴ）。
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表 3 七盘沟泥石流样本实测值
Table 3 Measured value of debris flow samples in Qipan gully
样本 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 X11 X12 X13 X14 2005 75 34 5 20 26 54.2 15.2 3.04 2.12 60 0.4 0 0 90 2008 574 26 8 22 34 54.2 15.2 3.04 2.12 18 0.09 0 0 65 2011 157 32 8 24 38.3 54.2 15.2 3.04 2.12 24 0.15 0 0 135 2013 581 54 78.2 25 54.3 54.2 15.2 3.04 2.12 13 0.17 0 0 135 2018 149 37 11.5 27 33.4 54.2 15.2 3.04 2.12 34 0.30 0.6 0.8 165 2019 114 33 15 28 28.1 54.2 15.2 3.04 2.12 57 0.37 0.6 0.7 185
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表 4 2005—2019年七盘沟泥石流危险性评价结果
Table 4 Risk assessment results of debris flow in Qipan gully, 2005—2019
年份 危险性评价值 危险级别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 2005 0.0009 0.0046 0.2282 0.1015 0.0237 中等危险 2008 0.0002 0.0126 0.0489 0.0011 0.1572 极高危险 2011 0.0019 0.0019 0.0752 0.1430 0.0936 较高危险 2013 0.0001 0.0002 0.0245 0.1327 0.1657 极高危险 2018 0.0235 0.1280 0.0000 0.2366 0.0006 较高危险 2019 0.0007 0.3534 0.0084 0.1210 0.0005 较低危险
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